CN105091797B - 一种单ccd的强度关联自准直仪 - Google Patents

Abstract

一种单CCD的强度关联自准直仪，包括由激光器、磨砂玻璃、电机、分划板、第一分光镜、第二分光镜、第一透镜、第二透镜组成的光学***，以及包括面阵CCD的图像采集***和数据处理模块。面阵CCD经图像采集***发出的同步信号触发，接收来自光学***同一时刻的图像信号，两路图像经采集***收集后，在数据处理模块中进行强度关联运算和信号处理，最终显示读数。本发明在传统自准直仪基础上增加了一路参考光路，可保持原自准直仪的光学***及整体外观，在工程实现上比较容易。本发明将量子成像技术中的强度关联方法引入自准直仪的设计中，一方面可以有效的提高测量分辨力及准确性，同时还能减小空气扰动等因素引起的测量误差，灵敏度和稳定性均有提高。

Description

一种单CCD的强度关联自准直仪

技术领域

本发明涉及一种单CCD的强度关联自准直仪，属于精密测试计量仪器领域。

背景技术

自准直仪作为一种高精度光学计量仪器，可用于角度测量，平直度测量，垂直度测量等多个方面，在机械加工，航天航空器件加工与装配，精密物理实验等各个领域广泛应用。传统自准直仪产品大都采用透镜组和面阵或者线阵CCD相结合的方式进行测量。因此在现有技术下若要提高自准直仪的测量精度，一般需要加大透镜组焦距，减小CCD像元尺寸等方法。其中，透镜组焦距的增大不可避免地增加了自准直仪的体积；而减小CCD像元尺寸受到CCD像元加工与安装技术的限制。同时在实际应用中，大量程和高精度作为一对不可调和的矛盾也极大地限制了自准直仪的应用场合。

发明内容

本发明技术解决的问题是：克服现有技术不足，提供一种单CCD的强度关联自准直仪，在自准直仪***上实现了量子成像技术中的强度关联方法，一方面可以有效的提高测量分辨力及准确性，还能减小空气扰动等因素引起的测量误差，同时两路信号在同一CCD上成像，可有效压制两路信号中的本底噪声，灵敏度和稳定性均有提高，具有广阔的应用前景。

本发明的技术解决的方案是：一种单CCD的强度关联自准直仪，包括：光学***、图像采集***和数据处理模块；光学***包括激光器(1)、电机(2)、磨砂玻璃(3)、分划板(4)、第一分光镜(5)、第一透镜(6)、第二分光镜(7)、第一反射镜(8)、第二透镜(9)；图像采集***包括面阵CCD(10)。

激光器(1)发射单纵模连续激光，磨砂玻璃(3)在电机(2)驱动下匀速旋转，将激光器(1)发射的单纵模连续激光调制成赝热光，送至分划板(4)；分划板(4)上开设小孔并固定于磨砂玻璃(3)之后，将经过磨砂玻璃(3)的赝热光透过分划板(4)上的小孔的光束作为光源，即近似的点光源，送至第一分光镜(5)；第一分光镜(5)将透过分划板(4)上的小孔的光束分为平行的两路光束，且透过分划板(4)上的小孔的光束与第一分光镜(5)分出的平行的两路光束平行，第一分光镜(5)分出的平行的两路光束的第一路光束送至第二分光镜(7)，第二路光束送至第一透镜(6)；

第二分光镜(7)将第一分光镜(5)分出的平行的两路光束的第一路光束，分光为透射光束和反射光束，反射光束舍弃，第一分光镜(5)分出的平行的两路光束的第一路光束分光得到的透射光束经过第二透镜(9)转换为平行光束后，照射到待测物体(11)，待测物体(11)能够用第二反射镜代替，平行光束经待测物体(11)反射后再次通过第二透镜(9)转换成汇聚光束，照射到第二分光镜(7)；第二分光镜(7)将经过第二透镜(9)的汇聚光束分光成透射光束和反射光束，透射光束放弃，取反射光束垂直照射到面阵CCD(10)；

第一透镜(6)将经过第一分光镜(5)分光得到的第二路光束汇聚后，经过第一反射镜(8)反射后垂直入射至面阵CCD(10)；

面阵CCD(10)为扫描式传感器，在数据处理***发出的同步时序信号的控制下，将同一时刻的分别由第二透镜(9)汇聚光束再经过第二分光镜(7)分光得到的反射光束和第一透镜(6)汇聚再经过第一反射镜(8)反射的光束经光电转换为一路电信号输出至数据处理模块，该路电信号包括面阵CCD获得的两路光束的图像；

数据处理模块，将面阵CCD(10)输出的电信号进行采集，保存后，将面阵CCD获得的两路光束的图像进行强度关联运算，得到关联成像结果，即照射在面阵CCD(10)上的光斑的像和光斑的像上一个亮点，该亮点是由CCD获得的两路光束的图像经关联运算得到的关联点，随待测物体(11)的转动而移动，用来表征经过第二透镜(9)的平行光束照射在待测物体(11)上的位置；通过观测光斑的像上一个亮点位置的变化，能够计算得出待测物体(11)在横向和纵向上的偏移角度后，并进行显示。

所述激光器(1)发射的单纵模连续激光，入射到旋转的磨砂玻璃(3)上，产生时间相干、空间非相干的赝热光场，即散斑场，用散斑场作为照明光源能够进行强度关联成像。

所述第一分光镜、第一透镜、第一反射镜和面阵CCD构成参考光路，与第一分光镜、第二分光镜、第二透镜、待测物体和第二面阵CCD构成的信号光路，组成成像***。

所述数据处理模块，将采集的面阵CCD(10)输出的电信号中的两路光束的图像成像于同一个面阵CCD上的成像图片分为两部分，每一部分包括一个光学信号，且两个光学信号入射到面阵CCD(10)的时间保持一致，将这两部分强度关联计算。

利用所述数据处理模块对成像结果中的关联点进行寻峰运算，得到关联点的精确坐标，以提高自准直仪的精度及准确度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)在工程实现上比较容易，本发明在传统自准直仪基础上进行了改进，利用了两路光学探测***的探测信号，由图像采集***进行采集，并在数据处理模块中对两路电信号进行强度关联信号处理。因此在保持原自准直仪的光学***、整体外观形状不变的基础上进行内部结构的局部调整即可，在工程实现上比较容易。

(2)相同量程下测量精度更高，本发明将量子成像技术中的强度关联算法引入自准直测量中，经数据处理模块输出的图像不仅包括反射镜上光斑的像，还包括光斑上的关联点，在数据处理过程中，传统自准直仪是对反射镜上光斑的像进行亚像素细分处理得到光斑的坐标，而本发明中则是对尺寸更加精细的关联点进行运算进而得到光点的精确位置，对比传统自准直仪，此方法可在相同量程情况下实现更高精度测量，有效提高测量的准确度，降低误差。

(3)示值稳定性更好，由于本发明是基于强度关联算法进行自准直测量，与传统自准直仪相比。控制电路很少，可以一定程度的降低电路引起的示值跳变；另一方面，两路光学信号进入同一个CCD，可大大压制两路信号的共同噪声。同时，信号强度关联算法可以有效的降低空气扰动、温度变化等外界因素影响，因此误差更小且示值更稳定。

附图说明

图1为本发明的自准直仪的示意图。

具体实施方式

本发明的基本思路为：本发明仅采用一个CCD成像装置，利用关联成像的方式，提出了一种新型的基于单个CCD的强度关联自准直仪。此方案比较传统自准直仪增加了一路参考光路，两条光路的信号成像在同一个CCD上，可基本保持原自准直仪的整体外观。本发明仅利用一个CCD成像装置，在自准直仪***上实现了量子成像技术中的强度关联方法，一方面可以有效的提高测量分辨力及准确性，还能减小空气扰动等因素引起的测量误差，同时两路信号在同一CCD上成像，可有效压制两路信号中的本底噪声，灵敏度和稳定性均有提高，具有广阔的应用前景。

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，一种单CCD的强度关联自准直仪，包括激光器1、电机2、磨砂玻璃3、分划板4、第一分光镜5、第二分光镜7、第一透镜6、第二透镜9、第一反射镜8组成的光学***，以及图像采集***面阵CCD 10和数据处理模块。

激光器1发射单纵模连续激光，工作波段在可见光波段，单纵模连续激光使得两路光学信号的采集同步更容易实现，进而完成强度关联运算。磨砂玻璃3在电机2驱动下匀速旋转，将激光器1发射的单纵模连续激光调制成赝热光场，即散斑场，磨砂玻璃的打磨颗粒大小直接影响散斑场散斑大小，进而影响关联算法后关联点大小，打磨颗粒越小，关联点越小，本发明的探测精度越高。赝热光束照射到分划板4，分划板4上开设小孔并固定于磨砂玻璃3之后，将经过磨砂玻璃3的赝热光透过分划板4上的小孔的光束作为光源，即近似的点光源，小孔孔径大小决定了信号光束和参考光束最终照射到面阵CCD 10上的光斑大小，小孔孔径越小，光斑越小。

点光源光束送至第一分光镜5，点光源光束(光轴方向)与第一分光镜5的入射面呈45°角入射，入射点尽可能得靠近分光镜的分光面(对角面)，使得第一分光镜5将透过分划板4上的小孔的光束分为可分开的上下平行的两路光束。

第二分光镜7将第一路光束(上)，分光为透射光束和反射光束，反射光束舍弃，透射光束经过第二透镜9转换为平行光束，即为信号光束，信号光束为平行光束，使得待测物体11的探测距离不受限制。平行光束照射到待测物体11，用第二反射镜代替，待测物体11可转动，平行光束经待测物体11反射后再次通过第二透镜9转换成汇聚光束，照射到第二分光镜7；第二分光镜7将经过第二透镜9的汇聚光束分光成透射光束和反射光束，透射光束放弃，取反射光束照射到面阵CCD 10；第二透镜9和分划板4、面阵CCD 10的位置关系需要保证分划板4和面阵CCD 10均位于第二透镜9的焦平面上；

第一透镜6将经过第一分光镜5的第二路光束(下)汇聚后，经过第一反射镜8反射至面阵CCD 10；第一透镜6与分划板4、面阵CCD 10的位置关系需要保证分划板4位于第一透镜6的二倍焦平面上，面阵CCD 10位于第一透镜6的二倍焦平面附近；

面阵CCD 10为扫描式传感器，在图像采集***发出的同步时序信号的控制下，将同一时刻的分别由第二透镜9经过第二分光镜7反射的光束和第一透镜6经过第一反射镜8反射的光束经光电转换为一路电信号输出，该路电信号包括面阵CCD获得的两路光束的图像，两路光束的图像不能重合；

数据处理模块，将面阵CCD10输出的电信号进行采集，保存后，将面阵CCD获得的两路光束的图像进行强度关联运算：在面阵CCD中的参考光束图像上任取一位置坐标与面阵CCD中的信号光束同一时刻得到的图像进行关联成像，最终得到待测物体11上光斑的像和光斑的像上一个亮点，该亮点是由CCD获得的两路光束的图像经关联运算得到的关联点，随待测物体11的转动而移动，再运用寻峰算法可以进一步确定亮点的坐标，直接读取亮点坐标，运用寻峰算法后可将坐标精度提升3到4个数量级，通过观测亮点坐标横向和纵向的位移，计算得到待测物体在两维的角度变化，输出结果。

在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单CCD的强度关联自准直仪，其特征在于包括：光学***、图像采集***和数据处理模块；光学***包括激光器(1)、电机(2)、磨砂玻璃(3)、分划板(4)、第一分光镜(5)、第一透镜(6)、第二分光镜(7)、第一反射镜(8)、第二透镜(9)；图像采集***包括面阵CCD(10)；

激光器(1)发射单纵模连续激光，磨砂玻璃(3)在电机(2)驱动下匀速旋转，将激光器(1)发射的单纵模连续激光调制成赝热光，送至分划板(4)；分划板(4)上开设小孔并固定于磨砂玻璃(3)之后，将经过磨砂玻璃(3)的赝热光透过分划板(4)上的小孔的光束作为光源，即近似的点光源，送至第一分光镜(5)；第一分光镜(5)将透过分划板(4)上的小孔的光束分为平行的两路光束，且透过分划板(4)上的小孔的光束与第一分光镜(5)分出的平行的两路光束平行，第一分光镜(5)分出的平行的两路光束的第一路光束送至第二分光镜(7)，第一分光镜(5)分出的平行的两路光束的第二路光束送至第一透镜(6)；

第二分光镜(7)将第一分光镜(5)分出的平行的两路光束的第一路光束，分光为透射光束和反射光束，反射光束舍弃，第一分光镜(5)分出的平行的两路光束的第一路光束分光得到的透射光束经过第二透镜(9)转换为平行光束后，照射到待测物体(11)，待测物体(11)能够用第二反射镜代替，照射到待测物体(11)的平行光束经待测物体(11)反射后再次通过第二透镜(9)转换成汇聚光束，照射到第二分光镜(7)；第二分光镜(7)将经过第二透镜(9)的汇聚光束分光成透射光束和反射光束，透射光束放弃，取经过第二透镜(9)的汇聚光束分光得到的反射光束，垂直照射到面阵CCD(10)；

第一透镜(6)将经过第一分光镜(5)分光得到的第二路光束汇聚后，经过第一反射镜(8)反射后垂直入射至面阵CCD(10)；

面阵CCD(10)为扫描式传感器，在数据处理***发出的同步时序信号的控制下，将同一时刻的分别由第二透镜(9)汇聚光束再经过第二分光镜(7)分光得到的反射光束和第一透镜(6)汇聚再经过第一反射镜(8)反射的光束经光电转换为一路电信号输出至数据处理模块，该电信号包括面阵CCD获得的两路光束的图像；

数据处理模块，将面阵CCD(10)输出的电信号进行采集，保存后，将面阵CCD获得的两路光束的图像进行强度关联运算，得到关联成像结果，即照射在面阵CCD(10)上的光斑的像和光斑的像上一个亮点，该亮点是由CCD获得的两路光束的图像经关联运算得到的关联点，随待测物体(11)的转动而移动，用来表征经过第二透镜(9)的平行光束照射在待测物体(11)上的位置；通过观测光斑的像上一个亮点位置的变化，计算得出待测物体(11)在横向和纵向上的偏移角度后，并进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种单CCD的强度关联自准直仪，其特征在于：所述激光器(1)发射的单纵模连续激光，入射到旋转的磨砂玻璃(3)上，产生时间相干、空间非相干的赝热光场，即散斑场，用散斑场作为照明光源能够进行强度关联成像。

3.根据权利要求1所述的一种单CCD的强度关联自准直仪，其特征在于：所述第一分光镜、第一透镜、第一反射镜和面阵CCD构成参考光路，与第一分光镜、第二分光镜、第二透镜、待测物体和面阵CCD构成的信号光路，组成成像***。

4.根据权利要求1所述的一种单CCD的强度关联自准直仪，其特征在于：所述数据处理模块，将采集的面阵CCD(10)输出的电信号中的两路光束的图像成像于同一个面阵CCD上的成像图片分为两部分，每一部分包括一个光学信号，且两个光学信号入射到面阵CCD(10)的时间保持一致，将这两部分强度关联计算。

5.根据权利要求1所述的一种单CCD的强度关联自准直仪，其特征在于：利用所述数据处理模块对成像结果中的关联点进行寻峰运算，得到关联点的精确坐标，以提高自准直仪的精度及准确度。

6.根据权利要求1所述的一种单CCD的强度关联自准直仪，其特征在于：所述第二分光镜(7)将第一分光镜(5)分出的平行的两路光束的第一路光束分光得到的透射光束与第一分光镜(5)分出的平行的两路光束的第一路光束在同一直线上。